DE3038197C2

DE3038197C2 -

Info

Publication number: DE3038197C2
Application number: DE19803038197
Authority: DE
Inventors: Walter Ing.(Grad.) 8000 Muenchen De Zimmermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-10-09
Filing date: 1980-10-09
Publication date: 1989-05-11
Also published as: JPS5792905A; DE3038197A1

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltungsanordnung zur elektronischen Stabilisierung des Betriebsstromes eines mindestens eine Gateelektrode aufweisenden Betriebsfeldeffekttransistors mittels einer mit dem Betriebsfeldeffekttransistor verbundenen Regelschaltung. Eine solche integrierte Schaltungsanordnung ist aus GB 14 86 733 bekannt.

Feldeffekttransistoren (FET's) unterliegen bezüglich ihres Drain kurzschlußstromes I _DSS bei mit der Sourceelektrode verbundener Gateelektrode bzw. bezüglich ihrer an der Gateelektrode anzulegender Einsatzspannung U _G, bei der der Drainstrom einsetzt, großen Fertigungsschwankungen. Die damit verbundenen Streuungen machen Feldeffekttransistoren für eine Vielzahl von Integrationsanwendungen ungeeignet und erhöhen für diskrete Anwendungen den Schaltungsaufwand für Stabilisierungsmaßnahmen.

So werden beispielsweise bei Einzelhalbleitern diese Streuungen durch entsprechende Gegenkopplungsmaßnahmen aufgefangen. Meistens sind ferner noch zusätzliche Gate-Vorspannungen erforderlich. Die Gegenkopplung ist beispielsweise eine Gleichstromgegenkopplung mit einem zwischen Sourceelektrode und Masse geschalteten ohmschen Widerstand und einem zum Widerstand parallel geschalteten Kondensator, der für hohe Frequenzen als HF-Blockung wirkt. Durch diese Gegenkopplung geht einerseits ein Teil der Betriebsspannung U _B für eine maximale Drain-Source-Spannung verloren. Zum anderen besteht insbesondere für integrierte Analoganwendungen das Problem, den Blockkondensator einsparen zu müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine integrierte Schaltungsanordnung anzugeben, die mindestens einen Betriebsfeldeffekttransistor aufweist, dessen Betriebsstrom ohne äußere Zusatzbeschaltung stabilisiert werden kann, und bei der die fertigungsbedingten Schwankungen bezüglich des Drainkurzschlußstromes I _DSS bzw. der Einsatzspannung U _G erheblich eingeengt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Betriebsfeldeffekttransistor einen Kurzschlußstrom bei mit der Sourceelektrode verbundender Gateelektrode aufweist, der kleiner als der Betriebsstrom ist, daß ein Hilfsfeldeffekttransistor vorgesehen ist, dessen Kurzschlußstrom bei mit der Sourceelektrode verbundener Gateelektrode kleiner ist als dessen Betriebsstrom (Hilfsstrom), daß eine auf einen bestimmten Schwellenwert ansprechende Stromfühlerstufe vorgesehen ist, mittels derer der durch den Hilfsfeldeffekttransistor fließende Hilfsstrom fühlbar und regelbar ist und daß der Hilfsfeldeffekttransistor und der Betriebsfeldeffekttransistor derart miteinander verbunden sind, daß die Spannung zwischen Gateelektrode und Sourceelektrode jeder der beiden Transistoren im wesentlichen die gleiche Größe aufweist.

Durch eine entsprechende, insbesondere für integrierte Bipolar- MOS-Schaltungen vorteilhafte Regelschaltung werden die fertigungsbedingten Schwankungen bezüglich des Drainkurzschlußstromes I _DSS bzw. der Einsatzspannung U _G erheblich eingeengt, da der Betriebsstrom I _B des Betriebsfeldeffekttransistors im wesentlichen nur von in engen Toleranzen herstellbaren Größen bzw. Bauteilen abhängt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß Mittel zum Ausgleich der durch die Stromfühlerstufe bedingten Potentialunterschiede der Source- bzw. Gate-Spannungen beider Transistoren vorgesehen sind und daß zu diesem Zweck eine Potentialverschiebestufe vorgesehen ist, die zwischen der Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors und der Gateelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors geschaltet ist.

Es ist von Vorteil, den Betriebsfeldeffekttransistor und den Hilfsfeldeffekttransistor im gleichen Herstellungsprozeß herzustellen, die Kanallänge des Hilfsfeldeffekttransistors der Kanallänge des Betriebsfeldeffekttransistors entsprechend auszuführen und die Kanalbreite des Hilfsfeldeffekttransistors kleiner als die Kanalbreite des Betriebsfeldeffekttransistors zu wählen. Der Be triebsfeldeffekttransistor und der Hilfsfeldeffekttransistor können selbstsperrend sein.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß als Stromfühlerstufe ein erster Bipolartransistor, dessen Kollektor mit der Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors und dessen Basis mit der Sourceelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors verbunden ist, und ein Hilfswiderstand, der parallel zur Basis-Emitter-Strecke des ersten Bipolartransistors geschaltet ist, vorgesehen sind, daß als Potentialverschiebestufe ein zweiter Bipolartransistor vorgesehen ist, dessen Basis mit der Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors, dessen Kollektor mit einer Hilfsbetriebsspannung und dessen Emitter einerseits über einen Emitterwiderstand mit dem Potential der Sourceelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors und andererseits über einen Vorwiderstand mit der Gateelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors verbunden sind.

In den Weiterbildungen der Erfindung ist vorgesehen, daß der Betriebsfeldeffekttransistor eine Tetrode ist, an deren erster Gateelektrode der Vorwiderstand liegt und deren zweiter Gateelektrode eine beliebige Steuer- oder Regelspannung zuführbar ist, daß der Ausgangstransistor der Tetrode selbstsperrend ist, daß die Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors über einen Gatewiderstand mit einer Hilfsbetriebsspannung für den Hilfsfeldeffekttransistor verbunden ist, daß zwischen der Drainelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors und der Hilfsbetriebsspannung ein Drainwiderstand geschaltet ist, der so bemessen ist, daß die Drainspannung des Hilfsfeldeffekttransistors der Drainspannung des Betriebsfeldeffekttransistors entspricht, und daß die Hilfsbetriebsspannung die Drainspannung des Betriebsfeldeffekttransistors oder die an der zweiten Gateelektrode des Be triebsfeldeffekttransistors anliegende Spannung oder eine beliebige Spannung ist.

Das zu verstärkende Wechselstrom-Signal kann der ersten Gateelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors zugeführt werden. Die Sourceelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors kann auf einem Bezugspotential, insbesondere Masse, liegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen je ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Betriebsstromstabilisierung von Feldeffekttransistoren.

Die Fig. 1 zeigt einen Betriebsfeldeffekttransistor T _B, zwischen dessen Drainelektrode D und dessen Sourceelektrode S die Betriebsspannung U _B anliegt, und dessen Gateelektrode G über einen hochohmigen Widerstand R _P mit einer Regelschaltung verbunden ist.

Die Regelschaltung besteht aus einem Hilfsfeldeffekttransistor T _H, einer aus einem ersten Bipolartransistor T 1 und einem Hilfswiderstand R _H gebildeten Stromfühlerstufe und einer aus einem zweiten Bipolartransistor T 2 und einem Emitterwiderstand R 2 gebildeten Potentialverschiebestufe. Die Drainelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors T _H ist mit einer Hilfsbetriebsspannung U _H verbunden. Die Hilfsbetriebsspannung U _H kann auch mit der Betriebsspannung U _B für den Betriebsfeldeffekttransistor T _B identisch sein. Die Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors T _H ist über einen Widerstand R 1 mit einer Hilfsbetriebsspannung U _H, ferner mit dem Kollektor des ersten Bipolartransistors T 1 sowie über die Potentialverschiebestufe mit der Gateelektrode G des Betriebsfeldeffekttransistors T _B verbunden. Die Sourceelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors T _H ist mit der Basis des ersten Bipolartransistors T 1 verbunden, parallel zur Basis-Emitter-Strecke des ersten Bipolartransistors T 1 ist ein Hilfswiderstand R _H an Masse geschaltet.

Um den an der Stromfühlerstufe, d. h. am Hilfswiderstand R _H auftretenden Potentialabfall auszugleichen, ist ein zweiter Bipolartransistor T 2 vorgesehen, dessen Basis mit der Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors T _H, dessen Kollektor mit einer weiteren Betriebsspannung, beispielsweise der Hilfsbetriebsspannung U _H und dessen Emitter einerseits über einen Emitterwiderstand R 2 mit Masse und andererseits über den Vorwiderstand R _P mit der Gateelektrode G des Betriebsfeldeffekttransistors T _B verbunden sind.

Hilfsfeldeffekttransistor T _H und Betriebsfeldeffekttransistor T _B werden nach der gleichen technologischen Herstellungsmethode hergestellt. Sie weisen gleiche Kanallänge auf, die Kanalbreite des Hilfsfeldeffekttransistors T _H ist aber vorzugsweise kleiner als die Kanalbreite des Betriebsfeldeffekttransistors T _B. Die Transistoren T 1 und T 2 werden bipolar ausgeführt.

Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Der Strom I _H durch den Hilfsfeldeffekttransistor T _H erzeugt einen Spannungsabfall U _BE am Hilfswiderstand R _H derart, daß der Transistor T 1 leitend wird. Die Spannung U _GH an der Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors T _H wird durch den Kollektorstrom von T 1 über R 1 soweit abgesenkt, bis sich ein Gleichgewicht des stromproportionalen Spannungsabfalls I _H × R _H mit der Schwellenspannung U _BE (U _BE ≈ 0,6 . . . 0,7 Volt für Silicium) von T 1 einstellt. Daraus ergibt sich als Beziehung für den Strom I _H durch den Hilfstransistor T _H:

I _H = U _BE /R _H (bzw. für Silicium I _H = 0,6 . . . 0,7 V/R _H.

Der Strom I _H ist also durch die Schwellenspannung U _BE von T 1 und die Größe von R _H festgelegt. Die sich einstellende Spannung U _GH an der Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors T _H wird über den zweiten Bipolartransistor T 2 zur Steuerung des Betriebsfeldeffekttransistors T _B verwendet. T 2 kompensiert über seine Basis- Emitter-Strecke das um die Spannung U _BE an R _H versetzte Source-Potential von T _H zu dem von T _B.

Der sich im Betriebsfeldeffekttransistor T _B einstellende Betriebsstrom I _B ist proportional zum Strom I _H durch den Hilfsfeldeffekttransistor T _H und wird durch das Geometrieverhältnis der Kanalbreiten dieser beiden Transistoren bestimmt, so daß mit

I _B Betriebsstrom des Transistors T _B
I _H Strom durch den Transistor T _H
w _B Kanalbreite des Transistors T _B
w _H Kanalbreite des Transistors T _H
U _BE Schwellenspannung von T 1 (für Silicium ≈ 0,6 . . . 0,7 Volt)
R _H Hilfswiderstand, gilt:

Bei unterschiedlichen Drain-Source-Spannungen der Transistoren T _B und T _H bedingt der Ausgangsleitwert G _oSS des Betriebsfeldeffekttransistors T _B eine Betriebsstromabweichung von

Δ I _B = G _oSS · (U _B-U _H + U _BE).

Hierbei bedeuten U _B die Betriebsspannung für den Be triebsfeldeffekttransistor T _B und U _H die Hilfsbetriebsspannung für den Hilfsfeldeffekttransistor T _H.

Der Betriebsstrom ergibt sich somit aus

oder bei U _B = U _H-0,6 V zu

Der Betriebsstrom I _B wird also durch das Geometrieverhältnis w _B /w _H und den Hilfswiderstand R _H bestimmt, wobei U _BE als Konstante angenommen werden kann. Da die Kanalbreiten w _B und w _H und der Hilfswiderstand R _H in engen Toleranzen herstellbar sind, läßt sich der Betriebsstrom I _B ohne erhebliche Fertigungsschwankungen herstellungsmäßig einstellen.

Der Einfluß des Ausgangsleitwertes G _oSS wird nur bei unterschiedlichen Drain-Source-Spannungen der Transistoren T _H und T _B relevant und kann gemäß obiger Formel (1) berücksichtigt werden.

Zu beachten ist lediglich, daß der Drainkurzschlußstrom beider Transistoren T _H und T _B kleiner sein muß als der jeweilige geforderte Betriebsstrom der Transistoren. Vorzugsweise eignen sich hierfür selbstsperrende Transistoren, insbesondere Transistoren vom Anreicherungstyp. Da die Emitter-Basis-Spannung U _BE des Transistors T 1 einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, ist die erfindungsgemäße Schaltung thermisch stabil. Der Temperaturkoeffizient für den Betriebsstrom I _B des Be triebsfeldeffekttransistors T _B entspricht dem Temperaturkoeffizienten für die Spannung U _BE des Transistors T 1.

Die Bemessung der Transistoren T 1 und T 2 und der Widerstände R 1 und R 2 ist unkritisch und kann in Richtung einer kleinen Stromaufnahme der Regelschaltung optimiert werden.

Die Fig. 2 zeigt eine weitgehend der Fig. 1 entsprechende Schaltung, bei der anstelle einer Triode als Be triebsfeldeffekttransistor T _B eine Tetrode verwendet wird. Die erste Gateelektrode G 1 der Tetrode ist mit dem Vorwiderstand R _P verbunden, während die zweite Gateelektrode G 2 an eine beliebige Spannung gelegt sein kann.

Die Verwendung einer Tetrode anstelle einer Triode für den Betriebsfeldeffekttransistor T _B hat den Vorteil, daß die G 2-Elektrode als Regelelektrode für die Verstärkungsregelung verwendet werden kann.

Durch den Ausgangsleitwert G _oSS bedingte Abweichungen im Betriebsstrom I _B können bei fester Hilfsspannung U _H dadurch verhindert werden, daß zwischen Drainelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors T _H und Hilfsbetriebsspannung U _H ein Widerstand R 3 geschaltet wird, der so dimensioniert wird, daß die Drainspannung des Hilfsfeldeffekttransistors T _H der des Betriebsfeldeffekttransistors T _B entspricht. Es ist aber auch möglich, entsprechende Stromabweichungen durch Wahl der Hilfsbetriebsspannung U _H auszugleichen.

Durch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird es beispielsweise ermöglicht, den Betriebsstrom I _B eines herkömmlichen n-MOS-Transistors auf ± 10% des Sollwertes einzustellen.

Claims

1. Integrierte Schaltungsanordnung zur elektronischen Stabilisierung des Betriebsstromes eines mindestens eine Gateelektrode aufweisenden Betriebsfeldeffekttransistors mittels einer mit dem Betriebsfeldeffekttransistor verbundenen Regelschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsfeldeffekttransistor einen Kurzschlußstrom bei mit der Sourceelektrode verbundener Gateelektrode aufweist, der kleiner als der Betriebsstrom ist, daß ein Hilfsfeldeffekttransistor vorgesehen ist, dessen Kurzschlußstrom bei mit der Sourceelektrode verbundener Gateelektrode kleiner ist als dessen Betriebsstrom (Hilfsstrom), daß eine auf einen bestimmten Schwellenwert ansprechende Stromfühlerstufe vorgesehen ist, mittels derer der durch den Hilfsfeldeffekttransistor fließende Hilfsstrom fühlbar und regelbar ist und daß der Hilfsfeldeffekttransistor und der Betriebsfeldeffekttransistor derart miteinander verbunden sind, daß die Spannung zwischen Gateelektrode und Sourceelektrode jeder der beiden Transistoren im wesentlichen die gleiche Größe aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Ausgleich der durch die Stromfühlerstufe bedingten Potentialunterschiede der Source- bzw. Gate-Spannungen beider Transistoren vorgesehen sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Potentialverschiebestufe vorgesehen ist, die zwischen der Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors und der Gateelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsfeldeffekttransistor und der Hilfsfeldeffekttransistor im gleichen Herstellungsprozeß hergestellt sind.

5. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanallänge des Hilfsfeldeffekttransistors der Kanallänge des Betriebsfeldeffekttransistors entspricht.

6. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalbreite des Hilfsfeldeffekttransistors kleiner als die Kanalbreite des Betriebsfeldeffekttransistors ist.

7. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsfeldeffekttransistor und der Hilfsfeldeffekttransistor selbstsperrend sind.

8. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromfühlerstufe ein erster Bipolartransistor (T 1), dessen Kollektor mit der Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors und dessen Basis mit der Sourceelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors verbunden ist, und ein Hilfswiderstand (R _H), der parallel zur Basis- Emitter-Strecke des ersten Bipolartransistors (T 1) geschaltet ist, vorgesehen sind.

9. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Potentialverschiebestufe ein zweiter Bipolartransistor (T 2) vorgesehen ist, dessen Basis mit der Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors, dessen Kollektor mit Hilfsbetriebsspannung und dessen Emitter einerseits über einen Emitterwiderstand (R 2) mit dem Potential der Sourceelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors und andererseits über einen Vorwiderstand (R _P) mit der Gateelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors verbunden sind.

10. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsfeldeffekttransistor eine Tetrode ist, an deren erster Gateelektrode der Vorwiderstand (R _P) liegt und deren zweiter Gateelektrode eine beliebige Steuer- oder Regelspannung zuführbar ist.

11. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangstransistor der Tetrode selbstsperrend ist.

12. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors über einen Widerstand (R 1) mit einer Hilfsbetriebsspannung (U _H) für den Hilfsfeldeffekttransistor verbunden ist.

13. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Drainelektrode des Hilfsfeldeffekttransistors und der Hilfsbetriebsspannung (U _H) ein Drainwiderstand (R 3) geschaltet ist, der so bemessen ist, daß die Drainspannung des Hilfsfeldeffekttransistors der Drainspannung des Betriebsfeldeffekttransistors entspricht.

14. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsbetriebsspannung (U _H) die Drainspannung des Betriebsfeldeffekttransistors oder die an der zweiten Gateelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors anliegende Spannung oder eine beliebige Spannung ist.

15. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verstärkende Signal der ersten Gateelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors zugeführt ist.

16. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sourceelektrode des Betriebsfeldeffekttransistors auf einem Bezugspotential, insbesondere Masse, liegt.